Как мы думаем, чувствуем, запоминаем или двигаемся? Всё это связано с передачей сигналов между нервными клетками через синапсы — особые соединения, где информация передается с помощью крошечных пузырьков-везикул, наполненных химическими веществами. Ученые из Японии и Германии создали самую детальную на сегодня модель их работы, раскрыв новые секреты работы мозга.

Результаты опубликованы в издании Science Advances.

Исследователи из Окинавского института науки и технологий и Университетского медицинского центра Гёттингена объединили усилия, чтобы смоделировать жизненный цикл везикул с невероятной точностью. Их подход учитывает не только сами пузырьки, но и их окружение, активность и взаимодействия. Это позволило предсказать параметры синаптической передачи, которые раньше нельзя было проверить экспериментально.

Современные технологии дают огромные объемы данных, но теперь главная задача — осмыслить их, — говорит профессор Эрик Де Шуттер, соавтор исследования. — Наша модель работает быстрее аналогов, учитывает молекулярные и пространственные детали и применима к разным типам клеток. Это серьезный шаг к полному моделированию нейронных процессов.

Мы изучаем синапсы больше 20 лет, но некоторые этапы их работы оставались загадкой, — добавляет профессор Сильвио Риццоли. — Теперь у нас есть инструмент, который поможет изучать не только норму, но и болезни, связанные с нарушением передачи сигналов.

Как работают везикулы

Нейротрансмиттеры (химические сигналы) высвобождаются в синаптическую щель, когда везикулы сливаются с мембраной. После этого пузырьки восстанавливаются и снова наполняются. Но не все везикулы активны одновременно:

• Резервный пул — основная масса пузырьков, закрепленных в кластере.
• Рециркулирующий пул — 10-20% везикул, готовых к немедленному использованию.

Раньше было неясно, как именно везикулы переходят между этими состояниями. Новое исследование проливает свет на этот процесс.

Что обнаружили ученые

Моделирование показало, что цикл везикул может работать на частотах, значительно превышающих естественные. Ключевую роль играют белки синапсин-1 и томосин-1, регулирующие высвобождение пузырьков из резерва. Также выяснилось, что эффективность передачи зависит от «якорения» — некоторые везикулы физически прикреплены к мембране, что ускоряет их активацию.

Эти открытия важны для понимания таких заболеваний, как ботулизм, миастенический синдром или депрессия, где нарушена передача нейротрансмиттеров.

Чем точнее мы моделируем процессы, тем ближе к новым методам лечения, — заключает Де Шуттер.

Этот прорыв позволяет:

• Точно предсказывать поведение синапсов при разных условиях, включая патологии.
• Ускорять разработку лекарств — например, антидепрессантов, влияющих на передачу серотонина.
• Оптимизировать эксперименты, сократив дорогостоящие пробы и ошибки.

Модель все еще упрощена: она не учитывает влияние глиальных клеток, которые активно участвуют в синаптической передаче. Также неясно, как применимы данные гиппокампа к другим отделам мозга.

Ранее ученые обнаружили новый механизм формирования памяти.